1. Вступ
Радіочастотний (RF) збір енергії (RFEH) і радіаційна бездротова передача енергії (WPT) привернули великий інтерес як методи для створення безбатарейних бездротових мереж. Ректенни є наріжним каменем систем WPT і RFEH і мають значний вплив на потужність постійного струму, що подається на навантаження. Антенні елементи ректени безпосередньо впливають на ефективність збирання, яка може змінювати збирану потужність на кілька порядків. У цьому документі розглядаються конструкції антен, що використовуються в WPT і навколишніх RFEH додатках. Заявлені ректени класифікуються за двома основними критеріями: смуга пропускання випрямного опору антени та характеристики випромінювання антени. Для кожного критерію визначається і порівнюється показник добротності (FoM) для різних застосувань.
WPT був запропонований Tesla на початку 20 століття як метод передачі тисяч кінських сил. Термін rectenna, який описує антену, підключену до випрямляча для збору радіочастотної енергії, з’явився в 1950-х роках для космічної мікрохвильової передачі енергії та живлення автономних дронів. Всеспрямований WPT великої дії обмежений фізичними властивостями середовища розповсюдження (повітря). Таким чином, комерційний WPT в основному обмежується безвипромінювальною передачею енергії ближнього поля для бездротової зарядки побутової електроніки або RFID.
Оскільки енергоспоживання напівпровідникових пристроїв і бездротових сенсорних вузлів продовжує зменшуватися, стає більш доцільним живити сенсорні вузли за допомогою навколишнього RFEH або за допомогою розподілених малопотужних всенаправлених передавачів. Бездротові системи живлення з наднизьким енергоспоживанням зазвичай складаються з передньої частини радіочастотного збору, живлення постійного струму та керування пам’яттю, а також малопотужного мікропроцесора та трансивера.
На рисунку 1 показана архітектура бездротового вузла RFEH і стандартні реалізації інтерфейсу RF. Наскрізна ефективність бездротової системи живлення та архітектура синхронізованої бездротової мережі передачі інформації та енергії залежить від продуктивності окремих компонентів, таких як антени, випрямлячі та схеми керування живленням. Для різних частин системи було проведено кілька оглядів літератури. У таблиці 1 підсумовано стадію перетворення електроенергії, ключові компоненти для ефективного перетворення електроенергії та відповідні огляди літератури для кожної частини. Остання література зосереджена на технології перетворення потужності, топології випрямляча або RFEH з підтримкою мережі.
малюнок 1
Однак конструкція антени не вважається критичним компонентом RFEH. Хоча в деяких джерелах пропускна здатність і ефективність антени розглядаються з загальної точки зору або з точки зору конструкції конкретної антени, наприклад, мініатюрних або носимих антен, вплив певних параметрів антени на прийом потужності та ефективність перетворення детально не аналізується.
У цьому документі розглядаються методи проектування антен у прямих антенах з метою відрізнити специфічні проблеми RFEH та WPT від конструкції стандартної антени зв’язку. Антени порівнюються з двох точок зору: узгодження повного опору та характеристики випромінювання; у кожному випадку FoM ідентифікується та перевіряється за допомогою найсучасніших (SoA) антен.
2. Смуга пропускання та узгодження: радіочастотні мережі без 50 Ом
Характеристичний опір 50 Ом є раннім розглядом компромісу між ослабленням і потужністю в мікрохвильовій техніці. В антенах смуга пропускання імпедансу визначається як діапазон частот, де відбита потужність становить менше 10% (S11< − 10 дБ). Оскільки підсилювачі з низьким рівнем шуму (LNA), підсилювачі потужності та детектори, як правило, розроблені з узгодженням вхідного опору 50 Ом, традиційно посилається на джерело 50 Ом.
У прямій антені вихідний сигнал антени подається безпосередньо на випрямляч, а нелінійність діода викликає значну зміну вхідного опору, причому домінує ємнісний компонент. Якщо припустити, що антена 50 Ом, головним завданням є розробка додаткової узгоджувальної радіочастотної мережі для перетворення вхідного опору на імпеданс випрямляча на цікавій частоті та оптимізації його для певного рівня потужності. У цьому випадку для забезпечення ефективного перетворення радіочастотного сигналу в постійний струм необхідна пропускна здатність наскрізного опору. Таким чином, хоча антени можуть досягти теоретично нескінченної або надширокої смуги пропускання за допомогою періодичних елементів або самодоповнювальної геометрії, пропускна здатність ректени буде обмежена мережею узгодження випрямляча.
Було запропоновано кілька топологій ректен для досягнення односмугового та багатосмугового збирання або WPT шляхом мінімізації відбитків і максимального збільшення передачі потужності між антеною та випрямлячем. На рисунку 2 показані структури топологій ректен, що повідомлені, класифіковані за архітектурою узгодження імпедансу. У таблиці 2 наведено приклади високопродуктивних ректен щодо наскрізної смуги пропускання (у цьому випадку FoM) для кожної категорії.
Рисунок 2. Топології Rectenna з точки зору узгодження пропускної здатності та імпедансу. (a) Односмугова пряма антена зі стандартною антеною. (b) Багатодіапазонна пряма антенна (складена з кількох взаємно з’єднаних антен) з одним випрямлячем і відповідною мережею на смугу. (c) Широкосмугова ректена з кількома радіочастотними портами та окремими відповідними мережами для кожного діапазону. (d) Широкосмугова ректена з широкосмуговою антеною та широкосмуговою узгоджувальною мережею. (e) Односмугова пряма антена з використанням електрично малої антени, безпосередньо узгодженої з випрямлячем. (f) Односмугова, електрично велика антена з комплексним імпедансом для сполучення з випрямлячем. (g) Широкосмугова ректена з комплексним імпедансом для сполучення з випрямлячем у діапазоні частот.
Хоча WPT і RFEH навколишнього середовища від спеціального каналу є різними додатками rectenna, досягнення наскрізного узгодження між антеною, випрямлячем і навантаженням є фундаментальним для досягнення високої ефективності перетворення потужності (PCE) з точки зору пропускної здатності. Тим не менш, ректени WPT більше зосереджуються на досягненні вищого узгодження коефіцієнта якості (нижчий S11) для покращення односмугового PCE на певних рівнях потужності (топології a, e і f). Широка смуга пропускання односмугового WPT покращує стійкість системи до відстроювання, виробничих дефектів і паразитів упаковки. З іншого боку, ректени RFEH надають пріоритет багатодіапазонній роботі та належать до топологій bd і g, оскільки спектральна щільність потужності (PSD) однієї смуги зазвичай нижча.
3. Прямокутна конструкція антени
1. Одночастотна ректена
Конструкція антени одночастотної прямої антени (топологія A) в основному базується на стандартній конструкції антени, такій як лінійна поляризація (LP) або кругова поляризація (CP), випромінювальна ділянка на площині землі, дипольна антена та інвертована F-антена. Ректена диференційного діапазону базується на комбінованій решітці постійного струму, сконфігурованій із декількома антенними блоками, або змішаній комбінації постійного та радіочастотного струму з кількох патч-блоків.
Оскільки багато із запропонованих антен є одночастотними антенами та відповідають вимогам одночастотного WPT, при пошуку навколишнього багаточастотного RFEH кілька одночастотних антен об’єднуються в багатодіапазонні прямі антенни (топологія B) із придушенням взаємного зв’язку та незалежна комбінація постійного струму після схеми керування живленням, щоб повністю ізолювати їх від схеми отримання та перетворення радіочастот. Це вимагає кількох схем керування живленням для кожного діапазону, що може знизити ефективність підвищувального перетворювача, оскільки потужність постійного струму в одному діапазоні низька.
2. Багатодіапазонні та широкосмугові RFEH антени
RFEH навколишнього середовища часто асоціюється з багатодіапазонним захопленням; отже, було запропоновано різноманітні методи для покращення смуги пропускання стандартних конструкцій антен і методи для формування дводіапазонних або смугових антенних решіток. У цьому розділі ми розглядаємо нестандартні конструкції антен для RFEH, а також класичні багатодіапазонні антени, які потенційно можуть використовуватися як ректенни.
Компланарні хвилеводні (CPW) монопольні антени займають менше площі, ніж мікросмугові патч-антени на тій самій частоті та виробляють хвилі LP або CP, і часто використовуються для широкосмугових зовнішніх прямих антен. Площини відбиття використовуються для збільшення ізоляції та покращення посилення, що призводить до діаграм спрямованості, подібної до антен. Щілинні копланарні хвилеводні антени використовуються для покращення смуги пропускання опору для кількох діапазонів частот, наприклад 1,8–2,7 ГГц або 1–3 ГГц. Щілинні антени зі зв’язаним живленням і патч-антени також часто використовуються в конструкціях багатодіапазонних прямих антен. На рисунку 3 показані деякі багатодіапазонні антени, які використовують більше ніж один метод покращення смуги пропускання.
малюнок 3
Узгодження опору антени та випрямляча
Підібрати антену на 50 Ом до нелінійного випрямляча складно, оскільки її вхідний опір сильно змінюється залежно від частоти. У топологіях A і B (рисунок 2) загальною мережею узгодження є LC-узгодження з використанням зосереджених елементів; однак відносна пропускна здатність зазвичай нижча, ніж у більшості діапазонів зв’язку. Односмугове узгодження шлейфів зазвичай використовується в мікрохвильовому та міліметровому діапазонах частот нижче 6 ГГц, а зареєстровані ректени міліметрового діапазону мають за своєю суттю вузьку смугу пропускання, оскільки їх смуга пропускання PCE обмежена придушенням вихідних гармонік, що робить їх особливо придатними для одиночних діапазон WPT додатків у неліцензованому діапазоні 24 ГГц.
Ректени в топологіях C і D мають більш складні мережі узгодження. Для широкосмугового узгодження були запропоновані повністю розподілені мережі узгодження ліній з блоком РЧ/коротким замиканням постійного струму (пропускний фільтр) на вихідному порту або блокуючим конденсатором постійного струму як зворотний шлях для діодних гармонік. Компоненти випрямляча можна замінити конденсаторами з друкованими платами (PCB), синтезованими з використанням комерційних засобів автоматизації проектування електроніки. Інші відомі мережі узгодження широкосмугової прямої антенни поєднують зосереджені елементи для узгодження з нижчими частотами та розподілені елементи для створення радіочастотного замикання на вході.
Зміна вхідного опору, що спостерігався навантаженням через джерело (відома як методика витягування джерела), була використана для розробки широкосмугового випрямляча з 57% відносною смугою пропускання (1,25–2,25 ГГц) і на 10% вищим PCE порівняно з зосередженими або розподіленими схемами . Хоча узгоджувальні мережі, як правило, розроблені для узгодження антен по всій смузі пропускання 50 Ом, у літературі є повідомлення про те, що широкосмугові антени підключалися до вузькосмугових випрямлячів.
Гібридні узгоджувальні мережі з зосередженими елементами та розподіленими елементами широко використовуються в топологіях C і D, причому послідовні котушки індуктивності та конденсатори є найбільш часто використовуваними зосередженими елементами. Це дозволяє уникнути складних структур, таких як конденсатори зі штрихами, які вимагають більш точного моделювання та виготовлення, ніж стандартні мікросмужкові лінії.
Вхідна потужність випрямляча впливає на вхідний опір через нелінійність діода. Таким чином, ректена розроблена для максимізації PCE для певного рівня вхідної потужності та опору навантаження. Оскільки діоди мають головний ємнісний високий імпеданс на частотах нижче 3 ГГц, широкосмугові ректени, які усувають мережі узгодження або мінімізують спрощені схеми узгодження, були зосереджені на частотах Prf>0 дБм і вище 1 ГГц, оскільки діоди мають низький ємнісний опір і можуть бути добре узгоджені. до антени, таким чином уникаючи розробки антен із вхідним реактивним опором >1000 Ом.
Адаптивне або реконфігуроване узгодження імпедансу було помічено в прямих антенах CMOS, де узгоджувальна мережа складається з вбудованих конденсаторних батарей і котушок індуктивності. Статичні узгоджувальні мережі CMOS також були запропоновані для стандартних антен 50 Ом, а також рамкових антен спільного дизайну. Повідомлялося, що пасивні детектори потужності CMOS використовуються для керування перемикачами, які спрямовують вихід антени на різні випрямлячі та відповідні мережі залежно від доступної потужності. Була запропонована реконфігурована узгоджувальна мережа з використанням зосереджених регульованих конденсаторів, яка налаштовується шляхом точного налаштування під час вимірювання вхідного опору за допомогою векторного аналізатора мережі. У реконфігурованих мікросмужкових узгоджувальних мережах польові транзисторні перемикачі використовувалися для налаштування узгоджувальних шлейфів для досягнення дводіапазонних характеристик.
Щоб дізнатися більше про антени, відвідайте:
Час публікації: 9 серпня 2024 р
